重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响

重载铁路轮轨磨耗及其对安全运行的影响
熊嘉阳;邓永权;曹亚博;李立;金学松
【摘要】The development and application of heavy haul railways in China and other countries were reviewed. Typical wheel-rail wear that occurred
on heavy haul railway lines was elaborated,including the wheel flange wear,hollow wear on the wheel tread,wheel ovalization,eccentric wear of wheels, side wear at rail gauge corner,rail corrugation,wheel flats,and rail burns. Then,the wheel-rail wear of heavy haul railways was studied mainly from two aspects:the mechanical behavior of the wheel-rail interaction system;and the mechanism and development of the wheel-rail
wear,influences of factors and possible counter measures. Moreover,effects of wheel-rail wear on the wheel-rail contact,the vehicle-track interaction,and the running stability and comfort of trains were discussed. Finally, research methods and technical routes were proposed to study the derailment safety problems of heavy haul trains under different worn conditions. With them,the derailment mechanism of heavy haul trains,key influential factors,and their rules under different worn conditions are expected to be worked out using numerical simulation.%介绍了国内外重载
铁路发展现状和运用情况。

详细论述了重载铁路在运营过程中轮轨典型的磨耗情况，主要有车轮轮缘磨耗、车轮踏面凹坑磨耗、车轮椭圆磨耗、车轮偏心磨耗、钢轨轨角侧磨、钢轨波浪形磨损以及轮轨擦伤。

关于重载铁路轮轨磨损的研究主要分两个方面：轮轨的力学行为和基于轮轨行为对轮轨磨耗的机理、发展规律、主要影响因素和降磨措施。

讨论了轮轨磨耗对轮轨接触载荷、车辆和轨道动力学行为、运行安
全和稳定性的影响。

提出了轮轨磨耗状态下重载列车脱轨安全问题的研究方法与技术路线，以期通过数值仿真计算，研究轮轨磨耗状态下重载列车脱轨机理和关键影响因素及其规律。

【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】8页(P302-309)
【关键词】重载列车;轨道;安全运行;脱轨;轮轨磨耗
【作者】熊嘉阳;邓永权;曹亚博;李立;金学松
【作者单位】西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031;西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】U270.33
1 国内外重载铁路发展现状
重载运输代表了铁路货物运输领域的先进生产力，是铁路现代化的一个重要标志，至今已经遍及包括美国、加拿大、澳大利亚、中国、巴西等幅员辽阔、资源丰富、大宗货物运输较多的国家.国际重载运输协会认为，铁路必须满足以下3 条标准中的至少2 条才能归类为重载铁路:
(1)经常、定期开行或准备开行总质量至少为5 000 t 的单元列车或组合列车;(2)在
长度至少为150 km 的线路区段上，年计费货运量至少为2 000 万t;(3)经常、正常开行或准备开行轴重25 t 及以上的列车.
2005 年 IHHA (International Heavy Haul Association)巴西年会上修订标准(适用于新申请入会会员):列车质量至少为8 000 t，轴重(计划轴重)在27 t 及以上，在至少150 km 线路区段上，单线年运量超过4 000 万t 才能归类为重载铁路. 重载运输主要模式有3 种，即北美铁路的单元列车、俄罗斯的组合列车和我国的整列重载列车.
1.1 国外重载运输发展现状［1］
(1)美国.重载运输发源于20 世纪60 年代的美国，重载一级线路16 万km，居世界之首.一般采用大容量、低自重货车，轴重29.8 ～35.7 t，牵引质量12 000 ～30 000 t.重载煤炭运量占铁路货运总量的45%.
(2)加拿大. 主要有DP 和CN 重载线，约5.7 万km，重载运输占货运总量的30%.典型单元列车:轴重33 t，牵引质量16 000 t. 典型集装箱列车:50%为双层集装箱平车，牵引质量12 000 ～20 000 t.
(3)澳大利亚. 主要有东澳昆士兰线、西澳铁矿线和纽曼线.其中纽曼线平均牵引质量45 000 t，居世界之首，2001 年6 月21 日，8 台机车牵引682 辆货车，创造了重载列车牵引总质量99 734 t的世界纪录.
(4)巴西. 主要有3 条重载线，轴重29. 8 ～32.0 t，牵引质量15 000 ～30 000 t.其中卡拉齐斯铁矿线892 km，最大编组330 辆，轴重30 t，牵引质量39 000 t 以上，居全美洲之首.
(5)其他国家.南非主要有Orex 和Rechard 重载线，2.7 万km.俄罗斯发展30 t 轴重货车.印度重载运量6 亿t/a. 德国开行轴重25 t、牵引质量6 000 t 的重载列车.法国南部铁路开行25 t 轴重的重载列车.芬兰铁路正在研究开行30 t 轴重的重载列车.欧洲铁路的货运量中有30%重载运输潜力.
1.2 国内重载运输发展现状
我国重载运输历经3 个阶段:1984—1990 年为改造旧线、开行组合重载列车模式
阶段;1990—1992 年为新建大秦线、开行单元式重载列车模式阶段;1992 年以后，对沿海繁忙干线改造、开行整列式重载列车模式阶段.第1 条重载铁路是大秦运煤
专线，规划1 亿t/a，全长653 km.担负中国铁路近1/5 的煤运量，为扩大运能，采取增加列车牵引质量、加大运行密度和提速并举的措施，这对重载列车安全可靠性提出了极高要求.2010 年运量突破4 亿t. 第2 条重载铁路是朔黄线，规划3 亿
t/a，全长590 km.一般运行单列6 000 t 的运煤专列，2009 年实验运行1 万t 动力分散型组合列车，轴重将从23 t 提升至30 t 及以上.
目前，在建的中南部横跨晋鲁豫3 省12 市的1 260 km 重载铁路，是世界上一次建成里程最长的重载线，将开行单车载重80 t、轴重30 t、时速120 km/h、万
吨以上的重载列车.
2 重载轮轨磨耗研究现状
轮轨磨损现象一直是铁路工业的难题.列车载重和车辆轴重的不断提高，必然加剧
轮轨磨损，严重影响铁路运输安全性和经济性.据美国和澳大利亚统计，重载运输
中15% ～20%的运营成本耗费于轮轨磨损;北美重载铁路直线钢轨的寿命为6 ～7 亿t，曲线钢轨仅为1.25 ～3 亿t.俄罗斯和美国的数据表明，若轮对负荷提高10 t，轮轨磨耗将增加6 ～18 倍，曲线段则增加30 倍.我国铁路每年因轮轨磨耗造成的经济损失达数十亿人民币.如大秦线轴重从23 t 增加到25 t 后，车轮踏面圆周
磨耗量增加了70%左右［2］. 而轮轨突发性破坏导致列车脱轨造成的损失，则无
法统计.
轮轨磨耗主要分为疲劳磨损和波浪形磨耗［3-4］.钢轨疲劳磨损主要表现为在轮缘踏面和轨顶内侧的鱼鳞状裂纹、剥离、塌陷及压溃和侧磨等.养护部门只能不断打磨、反复调边或换轨及旋削轮对，运营成本大大增加. 尽管轮轨疲劳磨损相对缓慢
发生发展，但常常导致轮轨突然失效，如轮缘爬轨、轮轴或钢轨断裂等，造成列车颠覆重大行车事故［4］.典型的钢轨磨损状态如图1 ～6 所示.
重载列车在牵引和制动时的巨大惯性力对钢轨产生很大的附加纵向力，该力在曲线上形成较大的横向水平分力，加大外轨侧磨，加大列车脱轨可能性.曲线外轨磨耗
程度远大于内轨，主要为轨头侧磨和轨顶垂磨的叠加，轨距侧有肥边;内轨主要为
轨顶压溃垂磨，有肥边，基本无侧磨.见图1 和图2.
根据调查资料，我国小半径曲线钢轨98%因侧磨超限而报废，有的钢轨每2 ～3 a，甚至1 a 就须更换.车轮疲劳磨损的主要形式有踏面剥离、擦伤、多边形磨耗、轮
缘磨耗、凹形磨耗等，如图7 ～12 所示.
图1 曲线外轨侧磨Fig.1 Side wear of the high rail on a curve
图2 曲线内轨压溃Fig.2 Crushing of the low rail on a curve
图3 钢轨擦伤Fig.3 Rail burns
图4 曲线外轨轨头龟裂［5］Fig.4 Rolling contact fatigue cracks on the high rail of a curved track［5］
图5 横向疲劳裂纹引起的钢轨断裂［4］Fig.5 Rail fracture due to a transverse fatigue crack［4］
图6 良好润滑下的轨距角塌陷Fig.6 Gauge corner collapse under a well lubricated condition
为了减缓轮轨磨耗，研究人员对轮轨磨损问题及其机理进行了大量研究.
(1)基于力学行为的磨耗数值分析和试验研究［6］
轮轨接触应力是研究轮轨匹配力学及材料磨耗的理论基础，随着弹塑性接触力学的发展而逐渐深入. 从早期的轮轨Hertz 接触［7-8］到非Hertz 接触［9］、有限元分析［10］，学者们一直在寻找能够准确模拟轮轨真实接触应力状态的数值计算
方法，其中基于车辆-轨道系统动力学的轮轨运动特性及动力学特性研究，就是揭
示轮轨磨耗及伤损成因的重要手段，文献［11］借此方法探讨了钢轨侧磨的成因，认为导致较大轮轨冲角及轮轨力的主因是轨道参数不佳，通过对其进行调整，钢轨侧磨明显减轻.
通过优化设计轮轨几何型面，可以有效降低轮轨接触应力及轮轨蠕滑现象，从而降低轮轨磨耗与伤损.文献［12］分析了轮轨接触关系对车辆动力性能的影响，设计
了新的轮轨型面，可以控制踏面锥度和钢轨磨耗速率.文献［13］指出，改变车轮
踏面锥度和轮轨接触应力，对钢轨接触疲劳和使用寿命的影响比轮缘接触处影响更大.
文献［14］分析了美国AAR-IB 车轮踏面与磨耗钢轨接触几何关系和接触应力，
认为轮轨型面匹配不佳是造成磨耗较快的主要原因.
图7 车轮踏面的凹形磨耗Fig.7 Wheel hollow wear
图8 车轮踏面剥离Fig.8 Wheel tread spalling
图9 车轮轮缘磨耗Fig.9 Wheel flange wear
图10 车轮踏面滚动接触疲劳Fig.10 Rolling contact fatigue of wheel tread
图11 车轮擦伤Fig.11 Wheel flat
图12 车轮多边形磨耗Fig.12 Wheel polygonal wear
文献［15］在高强度重载运输导致轮轨严重磨耗背景下，提出了重载钢轨型面的
设计方法并进行优化设计，效果明显.文献［16］研究了山区铁路小半径曲线轮轨
动态响应问题，指出轮轨磨耗更易使轮缘与钢轨侧面接触，加剧钢轨侧磨.文献［17-19］研究了磨耗后的轮轨匹配性能，认为轮轨严重磨耗增大了轮轨等效锥度，使轮轨接触应力、蠕滑力及冲角等增大，影响列车运行动力特性.
(2)基于金属工艺角度的试验研究
列车运行时因牵引或紧急制动会出现“空转”现象，尤其是重载轮轨间剧烈的滑动摩擦，接触表面温度急升，可达1 000 ℃以上，材料机械性能发生很大改变. 轮轨
钢主要是碳化体，当温度至300 ℃时，碳化体分解并奥氏体化，车轮滑过后迅速
冷却成韧性较差的马氏体，接触表面马氏体经反复碾压脱落，内部马氏体成为核伤的裂纹源，进而扩展、剥离［20］.目前的试验手段还不能确定轮轨的几何型面、
作用力、材料、接触表面状态及相对滑动速度等对温度的影响，数值方法也只在若干简化假设条件下才能实现［21］.
重载轮轨的波浪形磨耗(简称“波磨”)是重载线路最常见的病害之一，不容忽视.
钢轨波磨指钢轨沿纵向表面出现的周期性类似波浪形状的不平顺现象，见图13 和图14. 车轮波磨又称为车轮多边形化或车轮周期性不平顺，见图12.波磨引起车轨系统一系列动力响应变化，影响行车稳定性和安全性.至今对波磨的成因认识不一，未找到有效办法消除，但人工打磨钢轨仍是公认的解决办法.
图13 曲线钢轨波浪形磨耗Fig.13 Rail corrugation on a curved track
图14 直线钢轨波浪形磨耗Fig.14 Rail corrugation on a tangent track
轮轨磨耗问题与滚动接触力学、摩擦学、动力学、固体力学、轮轨材料、金属化学、传热学和计算方法等多个方面有关，但终归还是轮轨接触力问题［22］，因此，
利用数值方法和实验手段，研究各种磨耗工况下轮轨接触力的分布及其变化规律是解决问题的必要途径.
3 重载列车轮轨磨耗对列车运行安全性的影响
影响重载列车运行安全的因素较多，如空气制动特性、车钩事故、线路变形、轮轨磨耗等.其中制动特性及车钩事故被重视并进行了大量研究.当列车牵引质量在1.5
万t 以上时，空气制动系统极易发生分离、脱轨事故，美国重载铁路70%为抻钩
事故，直接经济损失达5 千万美元以上［23］. 1985 年加拿大国铁由于重载钢轨
磨耗严重，导致经常发生脱轨事故［24］.美国重载铁路车轮因严重踏面凹形磨耗，导致“轮缘到假轮缘”的冲击振动，影响列车运行平稳性［25］.我国大秦线2 万
t 重载列车，曾在4 个月时间发生6 起脱钩分离事故.由于重载列车牵引力及制动
力大，易使车辆设备和货物损坏、线路变形及维护工作量增大、轮轨磨耗加剧等，这对重载列车系统动力学的研究提出了严峻的挑战.美国曾建立多种列车动力学模型，进行了大量试验，采取一系列措施，取得了不少成果［26］.前苏联进行大量的理论分析及线路试验，建立精确的列车纵向动力学模型，并进行了试验验证［27］.文献［28］综述了重载列车及其试验研究概况. 文献［29］研究了制动工况下货物列车的动力学问题. 文献［30］提出了列车纵向冲动研究的节点方法. 文献［31］指出节点方法理论上尚需完善，并研究了纵向车钩力作用下的重载机车与轨道动态相互作用及其车钩自由角对列车安全性的影响. 文献［32］调查了缓冲器阻抗特性对重载列车动力学性能的影响.
上述文献的研究没有考虑轮轨磨耗对重载列车动力学性能的影响，进而对行车安全性的影响.随着重载铁路轴重及运行速度的提高，轮轨磨耗问题日益突出，正逐渐成为影响重载运输经济性的首要问题.轮轨磨耗后的匹配状态不佳，必然造成列车动力学性能恶化，甚至引发列车脱轨.所以，轮轨磨耗状态下重载列车运行安全是铁路运输工程亟待研究解决的难题之一，应当引起足够重视.
车轮扁疤在车轮滚动过程中会产生特殊的动力学效应.文献［33］研究了车轮扁疤引起的冲击载荷.文献［16］研究了车轮扁疤附加冲击载荷引起的车轨系统动力响应.车轮椭圆化造成车辆系统横向蛇行失稳，导致轮轨间强烈相互作用，加速轮轨磨损和疲劳，损害线路，引发脱轨危险［34］. 文献［35］对瑞典铁路车轮多边形磨耗问题进行大量研究，发现多边形磨耗不仅导致更大的轮轨冲击力，严重损坏线路和车辆部件，而且高频大幅振动还会导致脱轨发生. 文献［5］指出，当凹形车轮和轨顶接触时，易使车辆失稳;由于假轮缘与钢轨接触而不能有效地控制车轮过曲线.车轮偏磨往往伴随踏面凹形磨耗出现，使同轴车轮出现轮径差，导致轮对向较小轮径一侧横移. 同相偏磨情况下，轮对横移不受车辆悬挂系统制约，导致轮对横移量增大，损害车辆运行稳定性及平稳性. 如果重载曲线轮轨不同磨耗程度的轮
轨型面匹配，轮轨横向间隙随轮缘磨耗和钢轨侧磨程度而改变，轮轨接触点位置发生改变，进而影响轮轨接触关系及其动力学性能和车辆过曲线性能，甚至危及行车安全. 文献［36］发现，波磨会加剧轮轨黏滑振动，影响钢轨安定性、列车运行安全和机车的粘着效果，导致轮轨系统强烈的振动，使车辆过波峰冲击力急剧上升，波谷受力下降，列车减载脱轨，同时易引起钢轨和车轴断裂.文献［6］研究了实际磨耗状态下的轮轨接触几何关系和不同磨耗状态下的轮轨型面对车辆过曲线性能的影响，但是研究忽略了轨道系统对轮轨相互作用的影响，也未建立列车模型对重载列车运行安全进行研究.
4 轮轨磨耗状态对重载列车安全运行影响的研究思路
4.1 试验研究
试验研究是掌握重载列车服役性能的直接手段.目前的试验测试技术已相对成熟，振动加速度、位移测试用于掌握列车关键部件的振动特性，评价列车运行稳定性及平稳性;动应力测试用于监测构架、车体等部件的动态应力;轮轨力利用测力轮对完成，以评价列车脱轨安全性，并辅助分析轮轨伤损及磨耗特性.轮轨磨耗状态在线监测技术尚不成熟，目前主要利用轨检车在停车状态完成，以保证精确测量，测试内容包括车轮型面磨耗、车轮周向磨耗和钢轨型面磨耗状态及钢轨波磨特性等.为了研究轮轨磨耗状态对重载列车安全运行影响，在试验研究过程中应全面掌握不同运行时期列车关键部件振动特性和轮轨磨耗状态，获得轮轨磨耗演变规律，研究不同轮轨磨耗状态下的列车动态运行特性，找出影响重载列车安全运行的轮轨磨耗限值，包括车轮非圆化、踏面凹陷、轮径差、轮缘磨耗等.
4.2 理论研究
图15 为重载列车-轨道耦合大系统构成示意图，包括车辆子系统、车间悬挂子系统、轮轨接触子系统、轨道子系统.
本文提出的基本思路:一是建立单节整车/轨道耦合动力学动态脱轨计算模型，仿真
分析轮轨不同磨耗程度与现有脱轨评价指标和系统动态响应之间的相互关系，提出新的适用于重载列车动态脱轨评判准则;二是建立整列车/轨道空间耦合大系统动力学模型，考虑车间连接参数、列车编组和牵引特性以及车辆轨道关键部件非线性，研究不同线路区段和轮轨磨耗状态下，重载列车的动态响应及其脱轨安全性，揭示重载列车脱轨发生发展机理和关键影响因素及其规律性问题，并提出重载列车脱轨安全域.
图15 重载列车-轨道耦合大系统构成Fig.15 The train-track coupling system of the heavy haul railway
列车是由多节车辆由车钩缓冲装置连接而成的复杂系统，在运行过程中除与线路等相互作用外，车辆之间也会相互影响.在线路上同一位置，列车中不同车辆经过时其受力状态将会由于车辆之间的相互影响作用而不同.车钩缓冲装置传递与缓和列车运行中或调车时所产生的纵向力和冲击力.因此，应建立纵横垂三维空间耦合重载列车大系统动力学模型，如图16 所示.
图17 为重载列车脱轨安全问题的研究技术路线，主要进行理论建模和数值计算及动态脱轨评定准则研究.考虑重载列车中车辆与车辆之间的耦合以及纵-横-垂方向的相互影响，研究车间连接参数对车辆的横向稳定性、曲线(小曲线半径)通过性能和脱轨安全性的影响.
图16 重载列车大系统动力学模型Fig.16 Dynamic model of the heavy haul railway system
图17 轮轨磨耗状态下重载列车脱轨安全问题的研究技术路线Fig.17 Flow chart of the research on the derailment safety problem of heavy haul trains with worn wheel and rail
根据现场跟踪实测的轮轨型面数据，研究时考虑:(1)不同磨耗状态，包括车轮的圆周磨耗、凹形磨耗、轮缘磨耗，钢轨的曲线外轨侧磨、内轨压溃，波磨，轮轨磨耗
引起的轮径差等;(2)轮轨匹配关系:原始轮与原始轨，原始轮与磨耗轨，磨耗轮与原始轨，磨耗轮与磨耗轨;(3)分析指标考虑:轮轨相互作用力、轮对位移和加速度、车体位移和加速度.研究分析重载列车在直线和曲线上的动力响应、动态临界脱轨及
影响因素. 最后定义重载列车动态脱轨安全域和拟定重载列车动态脱轨评判准则及危险状态下重载列车的安全控制措施.
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